超高分子量聚乙烯的超声熔融挤出成型研究

论文摘要

振动利用工程学是一门近年发展起来的综合性边界学科,而波能利用则是振动利用工程学新近发展的具有广泛应用前景的新学科,波能在高分子材料加工中的应用作为波能利用学科的重要组成部分,一方面极大地增加了波能利用工程学科的内涵,另一方面也源源不断地为该学科提供大量极具挑战性的课题。高分子材料加工中广泛使用各种波能,有的用它来改善加工过程,降低能耗,提高产量,降低工艺条件;有的用它来提高产品质量;有的波能利用则形成了新的加工工艺。超声处理是改善聚合物微观组织、提高材料力学性能的有效方法。因此有必要在该领域内展开深入研究,研制在聚合物加工工业上应用的功率超声发生器,对超声细化聚合物微观组织的作用机理及工艺参数进行探讨,使超声细化能早日在聚合物加工工业上应用。本文首先选择合适的超声频率参数,换能器形式以及变幅杆的材料和尺寸,将超声发生器改造成聚合物加工专用的功率超声发生器。调试好后对声功率进行了测定,计算出换能器的平均效率和熔体中的声强。在比较了各种挤出机头的优缺点之后,采用衣架式挤出机头成型超高分子量聚乙烯。在成型过程中,加入超临界二氧化碳来降低超高分子量聚乙烯的黏度。并在机头中引入了超声波装置及压力传感器,分别控制气泡的膨胀及测定熔体的流变性能。利用超声辐照-挤出加工一体化装置和聚合物熔体静态超声辐照装置,对挤出过程中超声辐照对超高分子量聚乙烯流变行为的影响、体系经超声挤出后结构与性能的变化以及超高分子量聚乙烯在超声辐照作用下的力化学降解过程及机理进行了系统研究。为改善聚合物的加工性能和力学性能提供了新途径。超声辐照所提供的能量场作用、高频剪切振动和射流的力场作用以及小分子增塑作用显著降低了超高分子量聚乙烯在挤出过程中的表观粘度和表观粘流活化能,提高挤出产量近2倍,降低加工温度30℃以上,并使挤出物表面鲨鱼皮消失,有效地改善了超高分子量聚乙烯的加工性能。

论文目录

• 第一章 前言
• 1.1 超声波概述
• 1.2 研究波能在高分子材料加工中应用的目的与意义
• 1.2.1 波能利用工程及其存在的问题
• 1.2.2 高分子材料在国民经济中的地位和作用
• 1.2.3 研究波能在高分子加工中应用的目的和意义
• 1.3 波能在塑料加工中应用的研究现状
• 1.3.1 波能对聚合物流变参数及力学性能的影响
• 1.3.2 波能在塑料粉末压制成型中的应用
• 1.3.3 波能在泡沫塑料挤出中的应用
• 1.3.4 波能在高分子加工中的其它应用
• 1.4 挤出成型与挤出机机头
• 1.5 本课题的目的及意义
• 第二章 功率超声发生器的改造与调试
• 2.1 功率超声的产生原理
• 2.2 功率超声发生器的设计与改造
• 2.2.1 超声波频率的选择
• 2.2.2 超声波换能器的选择
• 2.2.3 变幅杆的设计
• 2.2.4 功率超声发生器技术参数
• 2.3 功率超声发生器的调试
• 2.3.1 声功率的测定和换能器效率的计算
• 2.3.2 声强的计算
• 2.4 本章结论
• 第三章 挤出机超声波流变机头的设计
• 3.1 机头设计的基本要求
• 3.2 平缝模头的设计
• 3.2.1 模腔尺寸的确定
• 3.2.2 模板尺寸的确定
• 3.2.3 模唇
• 3.2.4 阻流条
• 3.2.5 螺钉尺寸的确定
• 3.3 UHMWPE的性质
• 3.4 机头压力测量
• 3.4.1 压力传感器的安装与拆卸
• 3.4.2 压力传感器的原理
• 3.4.3 压差与流变学参数的关系
• 3.5 超声波装置
• 3.5.1 UHMWPE 的发泡成型的三个阶段
• 3.5.2 振动力场的介绍
• 3.5.3 超声波装置的原理及控制
• 3.6 挤出机头加热
• 3.6.1 挤出机头加热的方式
• 3.6.2 加热功率计算
• 3.7 挤出模头材料
• 3.8 挤出模头的维护
• 3.9 研究方案
• 3.10 本章结论
• 第四章 超声辐照对 UHMWPE 挤出物结构与性能的影响
• 4.1 概述
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 UHMWPE的研究现状及存在问题
• 4.2 性能测试
• 4.2.1 扫描电镜
• 4.2.2 红外光谱
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 超声辐照对UHMWPE挤出特性的影响
• 4.3.2 UHMWPE在超声挤出过程中的流变行为
• 4.4 本章结论
• 第五章 结束语
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 本文主要特色和创新之处
• 5.3 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文